Analytik NEWS
Das Online-Labormagazin
28.06.2022

29.03.2022

Auf dem Weg zu sauberem Wasser eine Menge Energie einsparen

Teilen:


Ein ganzer Mikrokosmos von Bakterien, Pilzen und anderen winzigen Organismen wartet in einem Klärschlamm-Becken mit Riesenhunger auf die organischen Reste, die menschliche Verdauungssysteme oder industrielle Prozesse übriggelassen haben. Diese Winzlinge "verbrennen" ähnlich wie Tiere ihr Futter in einem biochemischen Prozess und gewinnen so ihre Lebensenergie.

Und genau wie Fische holen sich auch die Mikroorganismen den für diesen Vorgang benötigten Sauerstoff aus dem Wasser. Damit der Sauerstoff nicht knapp wird, drücken Klärwerke der Kommunen oder Industrieanlagen Luft beziehungsweise reinen Sauerstoff in den Klärschlamm.

Diesen Prozess optimiert zurzeit CLEWATEC, das als "Helmholtz Innovation Lab" am HZDR durch die Helmholtz-Gemeinschaft gefördert wird, gemeinsam mit seinem Partner Air Liquide, einem der führenden Hersteller technischer Gase. Ihr Ziel: den Betreibern von Klärwerken Technologien und Know-how zur Verfügung zu stellen, um in Zeiten steigender Preise und knapper werdender Ressourcen den Energieverbrauch rasch und stark zu senken. Benötigen doch allein die Klärwerke der deutschen Kommunen zusammen ungefähr so viel Energie, wie sie ein großes Steinkohlekraftwerk liefert.

Fleißige Bakterien

Auch in den Anlagen von mittelständischen und großen Unternehmen schluckt die Luft- und Sauerstoff-Versorgung der hungrigen Bakterien die meiste Energie. Ihr Grundnahrungsmittel: biologische Kohlenstoff- und Stickstoff-Verbindungen, die sowohl in industriellen Abwässern wie auch in menschlichen Exkrementen stecken. Hinzu kommen in den Kommunen große Mengen weiterer Abwässer aus Waschbecken, Waschmaschinen und sonstigen Quellen. Daraus werden in der Kläranlage zunächst feste Bestandteile wie mitgerissener Sand und Stücke von Hygieneartikeln entfernt. Der Rest landet in der biologischen Stufe der Kläranlage, deren Herzstück oft das Belebtschlamm-Becken ist. Dort verbrennen die in Flocken aneinanderhängenden Mikroorganismen die Biomoleküle im Abwasser und gewinnen so ihre Lebensenergie.

Sauerstoff macht in der Luft jedoch nur rund 20 Prozent aus. "Gibt es zu wenig Sauerstoff, werden die quirligen runden von langgestreckten Bakterien abgelöst, die erheblich langsamer arbeiten", meint Dr. Sebastian Reinecke, CLEWATEC-Koordinator am HZDR. Diese Mikroorganismen aber bringen gravierende Nachteile: Zum einen bräuchten die Klärwerke für sie größere und damit auch teurere Belebtschlamm-Becken, zum anderen sollen die Bakterien nach Erledigen ihres Jobs in einem zweiten Becken als Schlamm zu Boden sinken, von dem ein Teil erneut Abwässer klärt, während der Rest in Faultürmen zu Biogas und Kompost vergären kann. Anders als die kugeligen schweben die langgestreckten Bakterien oft als Schaum auf der Oberfläche, der mit dem eigentlich gereinigten Wasser an der Oberfläche abgeleitet und dann die Umwelt verunreinigen würde.

Belüftung

Deshalb werden die Klärschlamm-Becken der Kommunen mit zusätzlicher Luft versorgt. Dort arbeiten häufig große Kompressoren, die durch dicke Leitungen die Luft von unten an große Gummi-Scheiben am Boden der Becken pressen. Der Überdruck wölbt diese Gummi-Teller zu kleinen Kuppeln auf. Dabei öffnen sich in jeder Gummi-Membran mehrere Tausend winzige Schlitze ein klein wenig, wodurch die Luftbläschen aufsteigen können. "Industrie-Klärwerke verlegen stattdessen oft Schläuche in großen Mäandern am Grund der Becken zum Einleiten von reinem Sauerstoff", erläutert Dr. Markus Meier, leitender Forschungsingenieur bei Air Liquide.

Daneben gibt es für das Zuführen von Gasen noch weitere Methoden, die alle eines gemeinsam haben: Die Bakterien können den mit einigem Energie-Aufwand zugeführten Sauerstoff oft nur zum Teil verwerten. Wie effektiv das funktioniert, hängt stark von der Größe der im Klärschlamm aufsteigenden Bläschen ab, die das Team in den CLEWATEC-Blasensäulen am HZDR beobachten kann, deren Höhe von vier Metern den Dimensionen eines vier bis fünf Meter tiefen Belebtschlamm-Beckens entsprechen. "Optimal sind nach unseren bisherigen Untersuchungen Bläschen mit einem Durchmesser von einem knappen Millimeter", nennt Reinecke ein wichtiges Ergebnis. "Sie können bei ihrem Aufstieg 90 Prozent ihres Sauerstoffs an den Klärschlamm abgeben und nutzen so die aufgewendete Energie optimal."

Das gilt eher für Sauerstoff-Bläschen in industriellen Belebtschlamm-Becken. Für die in vielen kommunalen Anlagen verwendete normale Luft sieht die Energiebilanz viel schlechter aus. "Aus den Luftbläschen diffundiert praktisch ja nur der Sauerstoff, nicht der Stickstoff", erklärt Meier. Da Luft zu rund 78 Prozent aus Stickstoff besteht, werden die Bläschen kaum kleiner und haben an der Oberfläche nur einen Bruchteil des enthaltenen Sauerstoffs abgegeben. Die Mikroorganismen im Belebtschlamm könnten ihren Appetit daher mit reinem Sauerstoff viel besser stillen.

"In Zukunft wollen wir Elektrolyse-Anlagen anbieten, die Wasserstoff und Sauerstoff vor Ort produzieren", blickt Markus Meier voraus. Diese Anlagen spalten mit "grünem Strom" Wasser und erzeugen so Wasserstoff, mit dem eine Kommune etwa ihre Fahrzeugflotte betreiben kann. Der zusätzlich entstehende Sauerstoff könnte zum Belüften von kommunalen Kläranlagen verwendet werden.

Zusätzlich will das CLEWATEC-Team - mit Hilfe von seit vielen Jahren am HZDR-Institut für Fluiddynamik optimierten, sehr komplizierten Strömungsmodellen - Kläranlagen vorausschauend per Computer steuern und dabei auch äußere Einflüsse wie das Wetter und die Energiepreise berücksichtigen. Auf diese Weise erhalten dann Klärwerke mit möglichst wenig Energie sauberes Wasser.

» Originalpublikation 1

» Originalpublikation 2

» Originalpublikation 3

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)